磁共振成像2013

磁共振成像磁共振成像MRI发展的重要里程碑1978年英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；1980年第一副人体胸腹部MR图像产生，MRI设备商业化；1984年美国的食品和药物管理局(FDA)批准核磁共振使用于临床；1989年中国开发出第一台MRI；2002年全球已经大约有2.2万台MRI…2003年劳特布尔(Lauterbur)和曼斯菲尔德(Mansfield)获得2003年诺贝尔生物医学奖磁共振成像第一节原子核的磁矩一、角动量与进动核外电子、原子核中的核子都有自旋运动，它们都有自旋角动量。角动量磁共振成像1.重力场中陀螺的进动只要角动量受到一个与之垂直的力矩的作用，则角动量就产生旋进，表现为角动量矢端沿一圆周转动。2.角动量产生纯进动的条件陀螺的进动磁共振成像3．奇奇核I=1，2……，如6Li，14N等。二、核的自旋磁矩LI在外磁场方向(Z方向)的分量LIZ=mIħmI为核自旋磁量子数，mI=I,I1,I2,…,I,共有2I+1个可能取值不同的原子核的自旋磁量子数：1．偶偶核I=0，如；16O,12C。2．奇偶核I=1/2，3/2，……，如15C,15N等。1H核的自旋为1/2。核自旋LI：核自旋量子数I只能取整数和半整数。)1(IILI磁共振成像核磁矩与核自旋的关系I是核自旋磁旋比量子化的核磁矩I为即IZ=gI·mI·N称为核磁子核磁矩的Z分量为IpIILmeg2)1()1(2IIgIImegNIpIIpIImeg2IIILgI是核的g因子1271005095.52JTmepNIZpIIZLmeg2IpImmeg2磁共振成像氧是偶偶核：I=0，LI=0,I=0，I自旋为零三、水分子的磁矩水分子的分子磁矩应是这些粒子的轨道磁矩、自旋磁矩的矢量和十个核外电子正好构成一个满壳层：Ll=0,μl=0十个电子也构成五个电子对(配对电子)：Ls=0,s=0水分子就相当是两个“裸露”的氢核磁共振成像第二节核磁共振现象一、自旋核能级在外磁场中的劈裂及跃迁射频(RF)电磁波：10～100MHz电磁波。自旋核在磁场中裂距A：A=gIμNBmI=I,I1,I2,…，I,共有2I+1个可能值产生的一个附加能量BmgBBBENIIIzIIcos核能级劈裂的间距较原子能级的劈裂小得多，发生能级跃迁时的信号能量也小得多。磁共振成像电磁波能量hRF等于裂距A，即hRF=gI·B·μN则会出现核磁共振吸收跃迁产生NMR时，射频电磁波的频率BmehBghBgIpINIRF212BIRF——拉莫尔方程Im磁共振成像二、自旋磁矩在外磁场的进动M=I·B·sin磁场对的作用力矩：BIBMI因为BdtLdMII氢核在磁场中的取向及进动z)21(ImL)21(ImLBdILdOLI矢端旋进的角速度为NN=I·BBIN21即发生NMR时，射频电磁波的频率RF等于核旋进的频率NRFN磁共振成像例：计算1H和23Na在0.5T的磁场中发生核磁共振的频率。已知H=2.6753S–1T–1，Na=0.7081S–1T–1解：当B=0.5T时，=2.6753×108×0.5/(2π)=21.289(MHz)=0.7081×108×0.5/(2π)=11.269(MHz)BHH21BNaNa21磁共振成像NiiM10)0(1NiiBM0)0(1NiiBM第三节核磁共振的宏观描述一、样品的自旋数密度及磁化强度矢量磁化强度矢量M（1）当样品外磁场为零时求和遍及单位体积（2）样品放在外磁场B时，磁共振成像磁共振成像以1H核磁矩为例样品中自旋核的数密度ρ越大，外磁场B0越大，则M0越大；而环境温度越高，则M0越小。核自旋密度分布满足玻尔兹曼分布kTEennk-玻尔兹曼常数，n-,n+为分别为高低能态的核自旋密度.样品磁化强度矢量在磁共振成像中，设主磁场B0沿Z轴方向例如在常温下，B=1T时，n-/n+=1：1.000007磁共振成像二、射频电磁波对样品的激励在垂直于B0方向上施加一RF射频脉冲.当RF频率满足拉莫尔公式时，使部分自旋核产生共振吸收而处于激发态.整个吸收和发射的过程成为核磁共振。停止RF照射，处于激发态的自旋核回到低能级、同时发射RF电磁波.样品磁化强度矢量RF电磁波的吸收RF电磁波的发射磁共振成像RF电磁波对样品起激励作用M0B和之间的夹角宏观磁矩M与电磁辐射之间发生共振吸收，M与B0方向的夹角变化角，即这个电磁辐射是一个角RF脉冲。RF作用时的M磁共振成像90º激励脉冲及其对M与的作用180º激励脉冲及其对M与的作用磁共振成像三、弛豫过程和弛豫时间1.弛豫过程核系统在平衡状态时，Mz’=M0，Mx’y’=0。当在垂直方向施加一90º激励脉冲0B当激励脉冲刚结束时，Mz’=0，Mx’y’=Mm。0B之后核磁矩只受到主磁场的作用而逐渐恢复到原来的热平衡状态，这一恢复过程称为弛豫过程。磁共振成像根据磁化强度矢量的两个分量Mz、Mx’y’在弛豫过程中随时间变化磁共振成像)1()(10'TtzeMtM20'')(TtyxeMtM式中T1、T2都是时间常数，纵向、横向驰豫过程同时进行。即T1表示随时间变化的快慢，称为纵向弛豫时间；T2表示随时间变化的快慢，称为横向弛豫时间。''yxM'zM横向弛豫时间纵向弛豫时间磁共振成像T1、T2驰豫时间对比磁共振成像（2）自由感应衰减FID90°脉冲激励自由感应衰减FID磁共振成像1．纵向弛豫T1四、T1、T2的物理学意义及生物学意义组织液的粘度增加，温度降低，T1缩短；主磁场B0的数值增大时，T1增加。2．横向弛豫T2T2与环境温度、粘度无关；与主磁场的相关性不大；T2与主磁场的均匀性关系特别大。在纵向弛豫过程中，样品中的自旋核与晶格以热辐射的形式相互作用。也称为热弛豫，或自旋-晶格弛豫。在横向弛豫过程中自旋核之间存在磁的相互作用，使核磁矩从聚焦的方向上分散开来，叫自旋一自旋弛豫。磁共振成像表4-2脑组织的弛豫时间组织尾状核脑灰质脑白质脑脊液T1(ms)822±16817±73515±271900±383T2(ms)76±487±274±5250±3表4-3实验鼠不同软组织的T1、T2组织脂肪肌肉肝脏脑T1(ms)305707426675T2(ms)54.129.538.954（1）不同的(正常)组织与器官的弛豫时间有显著不同磁共振成像T17809203000T290100300T1WIPDWIT2WI人体正常脑组织的T1、T2弛豫时间弛豫时间(ms)脑白质脑灰质脑脊液磁共振成像（2）同一组织、器官的不同病理阶段上的弛豫时间也有显著不同。这为用MRI进行病理分期成为可能。表4-4实验出不同病理阶段上的T1病灶T1(ms)病灶T1(ms)病灶T1(ms)肝140～170肝炎290肝癌300～450肾300～340肾癌400～450胰腺180～200胰腺200～275胰腺癌275～400磁共振成像此脉冲序列中第一个脉冲即90°脉冲是起对样品的激励作用，使样品产生横向分量Mxy。第四节自旋回波序列一、自旋回波序列(SE)1．SE序列的组成：由90°、180°脉冲组成TI为脉冲间隔时间，TR为序列重复时间，TE为回波时间，一般取TE=2TI自旋回波序列及FID、SE信号磁共振成像而90°之后的180°脉冲的作用是使使分散的核磁矩重新会聚起来，称为位相回归.磁场空间的不均匀性使得自旋核磁矩方向的分散（即去位相状态）.180°脉冲的作用磁共振成像SE序列中90°、180°脉冲的作用磁共振成像SE序列中回波信号的幅度)1(120TTTTREeeBKI考虑到信号大小还与自旋核的运动状态f(v)有关)1()(120TTTTREeevfBKIK是与主磁场、自旋核种类有关的常数磁场RF脉冲组织的体素RF信号图像的像素磁共振成像原理图像的亮度与ρ、T1、T2及流速v有关磁共振成像1．T1加权(T1IW)TE选取较小值，如15～25ms，而TR选取中等大小如200～800ms)1(10TTReBKII主要由ρ、T1决定，称为T1IW二、加权图像图像加权(IW)的概念在T1IW中T1大的地方呈弱信号(暗)，T1小的地方呈强信号(亮)。0Mz/Mot(ms)10.6350010001500质子密度对比度0Mz/Mot(ms)1T1=250msT1=500msT1=500ms0.63T1对比度50010001500TR两种组织之间T1对比度的形成TR质子对比度的形成磁共振成像当TRT1时，在公式中的因子1)1(1TTRe选TET2，则因子12TTRe一般TR取1500ms～2500ms，TE取15ms～25ms。2．ρ加权(ρIW)I=K·B0·ρ，K、B0均为不变常量，即MR信号仅由ρ决定与T1、T2相关不大，这就是ρ加权。0Mz/Mot(ms)10.6350010001500质子密度对比度0Mz/Mot(ms)10.63T1对比度50010001500两种组织之间T1和质子密度对比度的比较形成短T1，高密度长T1，低密度长T1，高密度(灰质)短T1，低密度(白质)质子密度对比度T1对比度磁共振成像3.T2加权(T2IW)20TTEeBKI当ρ、TE一定时，如T2(1)T2(2)，有)1(02)1(TTEeBKI)2(02)2(TTEeBKI1)1(1TTRe当TRT1时，有I由ρ、T2决定，称为T2加权0Mxy/Mmt(ms)10.37T2=50msT2=100ms50100150T2对比度TE而TE适当的长，例如在90～120ms中选取磁共振成像质子密度对比度T1对比度T2对比度TE组织A组织B第一个周期下一个周期TR250-2500ms900900180015-150ms信号磁化各情况发生的序列和图像对比度关系图像加权决定于TR、TE的选择及T1、T2的大小磁共振成像图像亮度逆转现象0Mz/Mot(ms)1正常肝肝癌肝脓肿0Mxy/Mmt(ms)1肝癌与正常肝肝脓肿磁共振成像一、梯度磁场则),,(),,(zBzyByxBxBBBBzzzGzGyGx第五节空间位置编码MRI的空间位置编码的理论基础),,(),,(zByBxBGGGGzyxzyx如将梯度设为圆电流的磁场梯度磁场磁共振成像梯度场与静磁场的叠加磁共振成像由拉莫尔方程可知，改变外加磁场的大小，可以改变共振频率的大小，确定MR信号位置的方法是使扫描平面上每一点都具有不同的磁场强度——梯度磁场。二、MR信号空间位置的确定磁共振成像磁共振成像MRI应用于医学的优势•利用人体氢质子的MR信号成像，从分子水平提供诊断信息；•任意截面成像；•软组织图象更出色；•不受骨伪影的影响；•无电离辐射,一定条件下可进行介入MRI治疗。四、磁共振成像技术的进展磁共振成像MRI的局限性•成像速度慢（相对于X-CT而言）；•对钙化灶和骨皮质灶不敏感；•图像易受多种伪影影响；•禁忌症：心脏起搏器及铁磁性植入者；•定量诊断困难。磁共振成像MRI的发展目的、方向及热点发展目的：–缩短成像时间–提高图像质量–降低成像费用–更舒适、人性化的受检环境磁共振成像MRI的发展目的、方向及热点发展方向：–原理方面：开发研究新的成像参数，温度、压强、导电率、粘滞度、弹性等–软件方面：开发新的脉冲序列–硬件方面：高温超导材料研究、4K技术、高灵敏线圈研发等–应用技术方面：血管造影技术、心脏电影、介入MRI治疗、增强剂技术等磁共振成像MRI的发展目的、方向及热点发展热点：–fMRI:功能磁共振成像，主要指脑功能磁共振成像–MRS:磁共振波谱